硫銨蒸發(fā)結晶的影響因素研究與優(yōu)化

萬雅曼 齊鳴齋 袁萍 李永進

華東理工大學化工學院 （上海 200237）

技術進步

硫銨蒸發(fā)結晶的影響因素研究與優(yōu)化

萬雅曼 齊鳴齋 袁萍 李永進

華東理工大學化工學院 （上海 200237）

就硫銨蒸發(fā)結晶過程中的幾個重要影響因素進行了實驗研究，包括溶液pH值、溶液蒸發(fā)溫度及攪拌速度，得出較優(yōu)結晶工藝操作條件：溶液pH值為3.0、蒸發(fā)溫度為70℃、攪拌速度為100 r/min。將該操作條件下得到的硫銨晶體與上海石化股份有限公司化工部丙烯腈裝置硫銨回收單元的產品相比較，發(fā)現(xiàn)在粒徑和粒徑分布方面，實驗所得晶體優(yōu)于工業(yè)產品。結果表明，該優(yōu)化條件具有可行性，可應用于硫銨工業(yè)生產。

硫銨 結晶 優(yōu)化

工業(yè)結晶具有能耗低、產品純度高等特點。隨著應用的逐漸廣泛，市場對晶體適當?shù)牧６群洼^窄的粒度分布提出了更多要求。對一定工藝條件來說，影響較大的往往是較小變化能較大影響產品質量的因素，并且由于這些因素產生的結果滯后而增加了條件控制上的難度。工業(yè)生產中影響硫銨[(NH4)2SO4]結晶的因素很多，如溶劑性質、pH值、離子強度、過飽和度、結晶溫度、結晶器中流場的速度、母液結晶比、雜質[1-4]等。

本文采用單因子法，分別改變溶液pH值、溶液蒸發(fā)溫度和攪拌速度，將不同水平所得硫銨晶體進行篩分，通過比較粒徑分布得到優(yōu)化操作條件。將優(yōu)化條件下所得晶體和工業(yè)產品進行比較，驗證了優(yōu)化操作條件的可行性。

1 實驗部分

1.1 實驗說明

硫銨的溶解度隨溫度的變化并不顯著，100℃下100 g飽和硫銨溶液降溫到20℃時僅有7 g晶體析出，故采用蒸發(fā)結晶工藝，即除去部分溶劑來達到過飽和，從而得到結晶產品。

實驗室采用間歇結晶，在一定真空度下恒溫水浴加熱，如圖1所示。結晶器的夾套連接恒溫水浴槽，頂部連接電動攪拌器、溫度計、球形冷凝管。將硫銨溶液加入結晶器后開啟恒溫水浴槽，加熱介質在結晶器夾套內循環(huán)流動。結晶器內蒸發(fā)的溶劑水通過球形冷凝管，冷凝成水進入量筒。隨著蒸發(fā)進行，溶劑量逐漸減少，溶液濃度變大，達到一定過飽和度后出現(xiàn)晶核，隨著溶劑進一步減少，晶核慢慢長大。

圖1 硫銨結晶實驗裝置流程圖

1.2 實驗裝置及試劑

實驗裝置：采用華東理工大學玻璃加工廠定制的三孔夾套結晶器，由501型超級恒溫水浴槽加熱，JJ-1精密增力電動攪拌器攪拌。實驗系統(tǒng)由上海互佳儀器設備有限公司提供的SHZ-DⅢ型循環(huán)水式多用真空泵提供負壓，外接2個閥門調節(jié)和控制系統(tǒng)壓力。所得晶體用10～80目標準分樣篩分析粒徑分布，用DigitalMicroscope BW1008-500X數(shù)字顯微鏡觀察晶體。

實驗試劑：硫銨，上海石化股份有限公司化工部丙烯腈裝置硫銨回收單元；硫酸（AR級），上海凌峰化學試劑有限公司；去離子水，華東理工大學。

1.3 實驗步驟

（1）量取800mL硫銨原溶液，其質量分數(shù)約為21.5%，用濃硫酸調節(jié)溶液pH值。

（2）將800mL硫銨溶液加入到1 L結晶器中，設置恒溫槽水溫，經結晶器夾套循環(huán)加熱，設置攪拌速度，打開攪拌器。

（3）待溶液加熱到接近某真空度下沸點溫度時開啟真空泵，通過調節(jié)真空度來調節(jié)結晶器內沸騰溫度。水蒸氣由結晶器頂部進入球形冷凝管冷凝，收集在量筒中。記錄結晶器內溶液的沸騰溫度。

（4）當蒸出約500mL水時停止加熱，過濾分出晶體，晶體烘干前后均稱重，記錄蒸出溶劑體積。

依次改變溶液pH值、蒸發(fā)溫度、攪拌速度，重復上述實驗步驟，單因子研究影響硫銨結晶的條件。根據(jù)有關文獻[5]，本文選擇三個水平的pH值、蒸發(fā)溫度和攪拌速度，見表1。

表1 選擇影響因素的三個水平

2 實驗結果與討論

2.1 溶液pH值對結晶的影響

研究溶液pH值影響時，選擇溶液pH值為2.5、3.0、4.0，攪拌速度300 r/min，真空度p＝0.085 MPa，蒸發(fā)溫度60℃。

將所得產品用標準篩分析粒徑分布CSD（Crystal Size Distribution），得到溶液不同pH值下硫銨晶體粒度分布對比（見圖2），表2是硫銨晶體的中間粒度（Medium Size,M.S.）值和變異系數(shù)（Coefficientofvariation,C.V.）值。

圖2 不同溶液pH值下晶體粒度分布圖

表2 不同溶液pH值下晶體的M.S.和C.V.值

中間粒度是粒徑分布中篩下累計質量分數(shù)為50%時所對應的篩孔尺寸值。變異系數(shù)為統(tǒng)計量，C.V. =100σ/M.S.，其中：σ是標準偏差。M.S.值越大表示平均粒度越大，C.V.值越小則表示晶體粒徑分布越窄。

pH=3.0時得到的晶體M.S.值較大，即粒度較大。比較不同pH值下的C.V.值，當pH=4.0時C.V.值較小，即晶粒分布較窄。

用數(shù)字顯微鏡觀察，得到溶液不同pH值下的晶體圖片，如圖3所示，同樣放大倍數(shù)下比較，可以看出pH值過低時容易形成針狀硫銨晶體。

圖3 不同溶液pH值下晶體晶型圖（放大倍數(shù)約為10倍）

pH值較小不僅降低了晶體平均粒徑，而且生成的針狀晶體易碎。綜合考慮，選擇溶液pH值為3.0。

2.2 蒸發(fā)溫度對結晶的影響

研究蒸發(fā)溫度的影響時，選擇蒸發(fā)溫度為60℃、70℃、80℃，由真空度來控制。為保證傳熱速率基本相同，水浴溫度分別為70℃、80℃、90℃，此時攪拌速度為300 r/min，pH值為3.0。圖4所示為不同蒸發(fā)溫度下所得硫銨晶體粒徑分布對比，表3所示為硫銨晶體的M.S.值和C.V.值。

圖4 不同蒸發(fā)溫度下晶體粒度分布圖

表3 不同蒸發(fā)溫度下晶體的M.S.和C.V.值

蒸發(fā)溫度T＝70℃時得到的晶體粒度M.S.值較大，C.V.值較小，說明該溫度下得到的晶體粒徑較大，顆粒分布較窄，而溫度過高或者過低時晶體粒度分布較寬。

圖5所示為顯微鏡下晶體的圖片，溫度為70℃時，晶體粒度較大且分布更均勻。

圖5 不同蒸發(fā)溫度下晶體大小比較(放大倍數(shù)約為10倍)

2.3 攪拌速度對結晶的影響

攪拌速度的大小直接關系到結晶器內懸浮液濃度和剪切力分布，影響二次成核和粒徑。選擇三個水平的攪拌速度為100 r/min、200 r/min、300 r/min，蒸發(fā)溫度為70℃，溶液pH值為3.0。

圖6為不同攪拌轉速下得到的硫銨晶體的粒度分布比較，表4所示為晶體的M.S.值和C.V.值。

圖6 不同攪拌速率下晶體粒度分布圖

表4 不同攪拌速度下晶體的M.S.和C.V.值

在轉速為100 r/min時，晶體顆粒M.S.值比其他轉速下的大，攪拌速度較小易得到較大晶體顆粒。攪拌速度過大，葉片容易將大顆粒晶體打碎，有利于晶體二次成核，而不利于晶體成長。

轉速較大時，晶體顆粒C.V.值比較小，晶體的粒徑分布較窄；而轉速較小時，溶液混合不均勻，導致晶體成長速度不同，會使晶體粒度分布變寬。

如圖7所示，直觀比較不同轉速下得到晶粒大小，R=100 r/min所得晶體粒度明顯大于其他晶體。

較小轉速有利于得到大顆粒晶體，但不利于溶液流場均勻和傳熱。為得到粒徑較大且分布較均勻的晶體顆粒，可以考慮在蒸發(fā)結晶初期用較大攪拌速度，在結晶后期減小轉速。

圖7 不同攪拌速度下晶體數(shù)字顯微鏡照片（放大倍數(shù)約為10倍）

3 優(yōu)化條件下的產品與工業(yè)產品的比較

由以上實驗結果可得初步優(yōu)化的結晶條件：攪拌速度初期為200 r/min，出現(xiàn)晶核后減小攪拌速度，控制在100 r/min左右；蒸發(fā)溫度控制在70℃左右；溶液pH值控制為3.0左右。

從上海石化股份有限公司化工部丙烯腈裝置硫銨回收單元取樣，將編號為2012.5.15的產品和實驗優(yōu)化條件下所得晶體進行比較，圖8為粒徑分布比較圖；表5為兩者的M.S.值和C.V.值比較。

圖8 工業(yè)結晶產品和優(yōu)化實驗產品的粒徑分布比較

表5 工業(yè)產品和優(yōu)化實驗晶體的M.S.和C.V.值

圖9所示為顯微鏡下工業(yè)產品和優(yōu)化實驗結晶產品。

比較可知：

（1）實驗得到的晶體顆粒大小比工業(yè)產品大一些，且粒徑分布更窄。

（2）實驗室得到的晶體純凈通透、晶型規(guī)則、粒度較大，在色澤、外形上明顯優(yōu)于工業(yè)產品。

圖9 工業(yè)結晶產品和優(yōu)化實驗晶體的比較（放大倍數(shù)約為10倍）

4 結論

（1）通過單因子研究方法，得出初步優(yōu)化結晶條件：初期轉速控制為200 r/min，出現(xiàn)晶核后減小攪拌速度，控制在100 r/min左右，通過調節(jié)真空泵，結晶器內溫度控制在70℃左右，溶液pH值控制為3.0左右。

（2）優(yōu)化實驗條件下的硫銨晶體較透明，顆粒較大，在外觀及粒徑大小上都有明顯改觀。硫銨晶體M.S.值可以達到974.36μm，C.V.值為28.609，說明該優(yōu)化操作條件可在生產中應用。

[1]李東志.影響硫銨結晶粒度因素的控制[J].山東化工，2009,38(12):30-33.

[2]丁緒淮,談遒.工業(yè)結晶[M].北京:化學工業(yè)出版社, 1985.

[3]陳文海.硫銨結晶粒度控的控制[J].河北化工,2008，31(10):42-44.

[4]NKubota,MYokota,JWMullin.The combined influenceof supersaturating and impurity concentration on crystalgrowth [J].JournalofCrystalGrowth,2000,212:480-488.

[5]殷萍.硫銨蒸發(fā)結晶過程研究[D].天津:天津大學, 2007.

Study and Optimization of Effect Factors for Ammonium Sulfate Evaporating Crystallization

Wan Yaman QiMingzhai Yuan Ping Li Yongjin

In order to get the optimized operation conditions,several key factors have been studied,including the pH value of solution,the evaporation temperature and agitation speed.The optimized operation conditions are as follows,the pH value is 3.0,the evaporation temperature is 70℃and the agitation speed is 100 r/min.In aspects of particle size and distribution,the products under optimized conditions are superior to the industrial products which are recovered from acrylonitrile unit of Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.The conditions are feasible and could be used in the industrial production of ammonium sulfate.

Ammonium sulfate;Crystallization;Optimization

TQ 026.5

2013年11月

萬雅曼 女 1989年生 碩士研究生 主要從事化工分離與模擬的研究